DE3833362C2

DE3833362C2 - Verwendung einer Nickelbasis-Legierung für Zündkerzenelektroden

Info

Publication number: DE3833362C2
Application number: DE3833362A
Authority: DE
Inventors: Kensho Sahira; Hideo Kitamura; Akira Mimura; Nobuyoshi Kurauchi
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1987-09-29
Filing date: 1988-09-29
Publication date: 1996-11-07
Anticipated expiration: 2008-09-30
Also published as: GB8822647D0; KR910005760B1; KR890005939A; DE3833362A1; GB2211515A; GB2211515B; JPS6487738A; US4906438A

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Nickelbasis-Legierung für Zündkerzenelektroden bei Ver brennungsmaschinen.

Zündkerzenelektroden für Verbrennungsmaschinen, zum Beispiel Automobilmotoren, werden üblicher weise aus einer Nickellegierung gefertigt, wie sie beispielsweise in der japanischen Patent veröffentlichung No. 43897/85 beschrieben ist und die im wesentlichen (auf das Gewicht bezogen) aus 0,2 bis 3% Si, weniger als 0,5% Mn, einer oder mehreren aus der Gruppe bestehend aus 0,2 bis 3% Cr, 0,2 bis 3% Al und 0,01 bis 1% Y ausge wählten Komponente (n) und dem Rest aus Ni und zufälligen Verunreinigungen besteht.

Kürzlich wurden Versuche durchgeführt, Automobil motoren mit hohem Wirkungsgrad durch Verwendung von Superladern wie Turboladern und eines oben liegenden Nockenwellen-Dualsystems herzustellen. Bei derartigen Notoren wird die Temperatur in den Verbrennungskammern auf bisher nicht er reichte Werte angehoben und bei diesen Betriebs bedingungen werden die Zündkerzenelektroden und die umgebenden Materialien in äußerstem Maße beansprucht. Herkömmliche Nickellegierungen besitzen trotz ihrer ausgezeichneten Hochtempera tur-Korrosionsbeständigkeit und -Oxidationsbe ständigkeit eine geringe Widerstandsfähigkeit gegen Schmelzverluste, und daher können Zünd kerzenelektroden aus diesen bekannten Nickel legierungen diesen belastenden Betriebsbedingungen nicht über längere Zeit widerstehen und die Lebensdauer dieser Elektroden ist demgemäß ziemlich kurz.

Nickellegierung aus Nickel, Mangan, Aluminium und Silizium sind aus der GB-PS 67 40 68 sowie der GB-PS 13 47 236 bekannt.

Ähnliche Legierungen sind noch in der GB 45 98 48 (Zusatz von Yttrium) und der US 4 329 174 bekannt.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Er findung, eine Nickelbasis-Legierung zu finden, die eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber Schmelzverlusten besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Verwendung. Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Verwendung ergibt sich aus Anspruch 2.

Die verwendete Legierung besteht aus (auf das Gewicht bezogen) 0,5 bis 1,5% Si, 0,7 bis 2,8% Mn, 0,25 bis 4,5% Al, wahlweise 0,005 bis 1% von einem oder mehreren Elementen, die aus der Y und Seltenen Erden bestehenden Gruppe ausgewählt wurden, und dem Rest Ni und zufälligen Verunreinigungen.

Es wurde bei Versuchen mit dem Ziel, die Wider standsfähigkeit bekannter Nickellegierungen gegen Schmelzverluste zu erhöhen, gefunden, daß, wenn Mangan der herkömmlichen Nickelbasis- Legierung in einer Menge von 0,7 bis 2,8% zugesetzt wird, die sich ergebende Legierung eine größere Widerstandsfähigkeit gegen Schmelz verluste und auch andere für die Verwendung bei Zündkerzenelektroden günstige physikalische Eigenschaften besitzt, ohne daß die Hochtemperatur- Korrosionsbeständigkeit und -Oxidationsbeständig keit Schaden nehmen.

Die Erfindung basiert auf diesen Feststellungen und sie betrifft eine neue Verwendung einer Legierung auf Nickel basis, die geeignet ist für die Verwendung in Zündkerzenelektroden für Verbrennungsmaschinen und aus (auf das Gewicht bezogen) 0,5 bis 1,5% Si, 0,7 bis 2,8% Mn, 0,25 bis 4,5% Al, wahlweise 0,005 bis 1% von einem oder mehreren Elementen, die aus der aus Y und Seltenen Erden bestehenden Gruppe ausgewählt wurden, und dem Rest Ni und zufälligen Verunreinigungen besteht.

Die vorgenannten Legierungselemente werden aus folgenden technischen Gründen in den jeweiligen Mengenbereichen zugesetzt:

(a) Si

Das der Nickelbasis-Legierung zugesetzte Si ver bessert die Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit in bedeutendem Maße. Wenn der Si-Gehalt geringer als 0,5% ist, wird die gewünschte Verbesserung der Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit nicht erhalten. Wenn andererseits der Si-Gehalt 1,5% übersteigt, nimmt die Widerstandsfähigkeit der Legierung gegen Schmelzverluste abrupt ab. Demgemäß liegt der Si-Gehalt vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 1,5%.

(b) Mn

Das Mangan zeigt eine Deoxidations- und Ent schwefelungswirkung, wenn es der geschmolzenen Nickelbasis-Legierung hinzugefügt wird und verbessert nach der Einbindung in die Legierung die Widerstandsfähigkeit gegen Schmelzverluste in bemerkenswerter Weise. Wann der Mn-Gehalt geringer ist als 0,7%, kann der gewünschte Wert der Widerstandsfähigkeit gegen Schmelzverluste nicht erreicht werden, während andererseits bei einem Mn-Gehalt von mehr als 2,8% die Hoch temperatur-Korrosionsbeständigkeit scharf ab sinkt. Daher liegt der Mn-Gehalt vorteilhaft im Bereich von 0,7 bis 2,8%.

(c) Al

Das der Ni-Legierung zugesetzte Al erhöht die Hochtemperatur-Korrosions- und -Oxidations beständigkeit. Wenn der Gehalt des Al 0,25% unterschreitet, kann jedoch die gewünschte Hochtemperatur-Korrosions- und -Oxidations beständigkeit nicht erzielt werden. Wenn anderer seits der Al-Gehalt 4,5% übersteigt, nimmt die Verarbeitbarkeit der resultierenden Legierung ab. Demgemäß liegt Al-Gehalt zweckmäßig im Bereich von 0,25 bis 4,5%.

(d) Y und Elemente der Seltenen Erden

Diese Elemente werden der Nickelbasis-Legierung wahlweise zugefügt, da sie sowohl die Hoch temperatur-Korrosionsbeständigkeit als auch die Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit erhöhen. Wenn der Gehalt eines oder mehrerer dieser Elemente geringer als 0,005% ist, dann zeigt die Legierung die geforderten Hochtemperatur- Eigenschaften nicht in dem gewünschten Maße. Wenn andererseits der Gehalt eines oder mehrerer dieser Elemente 1% überschreitet, kann eine weitere Verbesserung der Hochtemperatur-Eigen schaften nicht erhalten werden. Der Gehalt von Y und der Elemente der Seltenen Erden liegt daher aus Gründen der Wirtschaftlichkeit vorzugs weise im Bereich von 0,005 bis 1%.

Einige Beispiele von Nickelbasis-Legierungen werden im folgenden näher erläutert.

Eine Reihe von Nickelbasis-Legierungen (Proben Nr. 1 bis 13) und eine andere Gruppe von Vergleichslegierungen auf Nickelbasis (Proben Nr. 1 bis 5) wurden in einem gewöhnlichen Vakuumschmelzofen geschmolzen und dann unter Vakuum zu Barren gegossen. Die Zusammensetzung jeder dieser Legierungen ist in Tabelle 1 ange geben. Jeder der erhaltenen Barren wurde zu einem Stab mit einem Durchmesser von 10 mm heiß geschmiedet und dann zu einem Draht mit einem Durchmesser von 3 mm gezogen. Der erhaltene Draht wurde in kurze Stücke von jeweils 10 mm Länge und lange Stücke von jeweils 100 mm Länge geschnitten.

Diese beiden Arten von Drahtstücken wurden als Prüflinge für den Hochtemperatur-Korrosions test bzw. -Oxidationstest verwendet.

Als nächstes wurde der Stab von 10 mm Durchmesser in einen feineren Draht von 1 mm Durchmesser gezogen, der in kleine Stücke geschnitten wurde für die Verwendung als Mittelelektrode von Zündkerzen; ein weiterer Stab von 10 mm Durchmesser wurde ebenfalls zu einem Draht gezogen, der einen rechteckigen Querschnitt von 2,5 mm × 1,4 mm besaß und als Masseelektrode von Zündkerzen verwendet wurde. Diese Elektrodenprüflinge wurden in eine tatsächlich laufende Maschine eingesetzt und es wurden ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften in bezug auf die laufende Maschine in einem Kraftfahrzeug er mittelt.

Ein Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeits test wurde wie folgt durchgeführt: jeder der Prüflinge mit 3 mm Durchmesser und 100 mm Länge wurde in einen Aluminiumoxid-Tiegel eingebracht, der selbst in einen mit einer Verbrennungsgas atmosphäre gefüllten Apparat eingesetzt wurde. Eine zur Bildung von PbO als Verbrennungsprodukt fähige Bleiverbindung wurde der Verbrennungsgas atmosphäre mit konstanter Geschwindigkeit konti nuierlich zugeführt. Jeder der Prüflinge wurde erwärmt und für 50 Stunden bei 800°C in dem Apparat gehalten. Anschließend wurde der auf den Prüflingen gebildete Zunder mit einer Draht bürste entfernt. Der dem Korrosionstest unter worfene entzunderte Prüfling wurde in bezug auf sein Gewicht mit einem Prüfling verglichen, der nicht dem Korrosionstest ausgesetzt war, um den Gewichtsverlust festzustellen.

Der Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeitstest wurde wie folgt durchgeführt: jeder der Prüflinge mit 3 mm Durchmesser und 10 mm Länge wurde in ein Aluminiumoxid-Schiffchen gelegt, das in einen Elektroofen eingebracht wurde. Jeder der Prüf linge wurde erwärmt und für 100 Stunden bei 800°C in der Umgebungsluft gehalten; dann wurde die Gewichtszunahme (Oxidationszunahme) gemessen.

Der Lauftest wurde durchgeführt, indem eine Masseelektrode und eine Mittelelektrode, die beide aus der erfindungsgemäßen Nickellegierung hergestellt wurden, in die Zündkerze eines Kraft fahrzeuges eingesetzt wurden, und die Elektrode wurde in einem solchen Maß verwendet, wie es der Fahrstrecke eines Kraftfahrzeuges von 2 Millionen km bei einer mittleren Geschwindigkeit von 60 km/h entspricht. Dann wurde der Betriebsverlust oder die Abnutzung der Masseelektrode durch die Funkeneinwirkung gemessen, um die Widerstands fähigkeit gegen Schmelzverluste festzustellen.

Alle Testergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Die Testergebnisse in Tabelle 1 machen deutlich, daß die Nickelbasis-Legierungen, d. h. der Prüflinge der Proben Nr. 1 bis 13 sowohl hinsichtlich der Hoch temperatur-Oxidationsbeständigkeit und -Korro sionsbeständigkeit als auch hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit gegen Schmelzverluste aus gezeichnete Eigenschaften besitzen, während die Vergleichsprüflinge der Proben Nr. 1 bis 5, welche in bezug auf den mit einem Sternchen markierten Gehalt eines Legierungselements von dem erfindungsgemäßen Bereich abweichen, den Prüflingen aus der erfindungsgemäßen Le gierung zumindest in bezug auf eine der drei genannten Eigenschaften unterlegen sind. Insbesondere, wenn die Prüflinge Nr. 1 bis 13 gemäß der Erfindung mit dem Vergleichsprüfling Nr. 3, der dem anfänglich genannten Stand der Technik entspricht, verglichen werden, zeigt sich die deutliche Überlegenheit der erfindungsgemäßen Legierung. Diese Überlegenheit betrifft im wesentlichen die verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Schmelzverluste.

Da somit die Nickelbasis-Legierungen in bezug auf die Hochtemperatur- Korrosionsbeständigkeit und -Oxidationsbeständig keit sowie auch die Widerstandsfähigkeit gegen Schmelzverluste hervorragende Eigenschaften besitzen, kann die hohe Leistungsfähigkeit von aus diesen Legierungen hergestellten Zünd kerzenelektroden für Verbrennungsmaschinen für sehr große Zeitspannen aufrechterhalten werden, auch wenn die Beanspruchungen im Betrieb sehr groß sind.

Claims

1. Verwendung einer Nickelbasis-Legierung, bestehend aus (auf das Gewicht bezogen):
0,5 bis 1,5% Si,
0,7 bis 2,8% Mn,
0,25 bis 4,5% Al, und
Rest Ni und zufällige Verunreinigungen
für Zündkerzenelektroden für Verbrennungsmaschi nen.

2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin 0,005 bis 1 Gew.-% eines oder meh rerer Elemente enthält, die aus der Gruppe be stehend aus Y und den Elementen der Seltenen Erden ausgewählt sind.